选修3-1-1基因工程概述

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1、第一章 基因工程 第一节 基因工程概述 角似鹿、鼻似狮、目似虎、 唇似牛、爪似鹰、髭似马、鳞似鱼、身似蛇 呼风唤雨 腾云驾雾 定向基因改造设想 设想设想 一一 能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮能否让禾本科的植物也能够固定空气中的氮 ？ 能否让细菌能否让细菌“ “吐出吐出” ”蚕丝？蚕丝？ 设想设想 二二 能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等能否让微生物产生出人的胰岛素、干扰素等 珍贵的药物？珍贵的药物？ 设想设想 三三 经过多年的努力，科学家于经过多年的努力，科学家于2020世纪世纪7070年代创立年代创立 了可以定向改造生物的新技术了可以定向改造生物的新技术基因工程。基因工程。 基因

2、工程的理论铺垫 艾弗里：证明是遗传物质 沃森和克里克：阐明双螺旋结构 尼伦贝格：破译遗传密码 1944 1953 1960 1966 限制性核酸内切酶和DNA连接酶等工具酶、质 粒等载体和逆转录酶的发现，则直接促使了 基因工程的诞生。 1973年:美科恩：将两种不同来源的 分子进行体外重组，并首次实现了在大肠杆菌 中的表达，创立了定向改造生物的新技术 基因工程。 基因工程的诞生和发展大约经历了三个时期： 19731976年为开始期； 19771981年为发展期； 1982年以后为迅猛发展和实际应用期。 什么叫基因工程？什么叫基因工程？ 基因工程又叫基因工程又叫基因拼接技术或基因拼接技术或DNA

3、DNA重重 组技术组技术。是指在体外，通过人工。是指在体外，通过人工 “ “剪剪 切切”和和“拼接拼接”等方法，对生物的基因等方法，对生物的基因 进行改造和重新组合，然后导入受体细进行改造和重新组合，然后导入受体细 胞内并使重组基因在受体细胞中表达胞内并使重组基因在受体细胞中表达, , 产生人类需要的基因产物的技术。产生人类需要的基因产物的技术。 （一）基因工程的概念（一）基因工程的概念 概念的把握概念的把握 基因工程的别名 操作环境 操作对象 操作水平 基本过程 结果 特点 本质 基因拼接技术或基因拼接技术或DNADNA重组技术重组技术 生物体外生物体外 基因基因 DNADNA分子水平分子水

4、平 人类需要的基因产物人类需要的基因产物 剪切剪切 拼接拼接 导入导入 表达表达 打破种的界限，定向改造生物 基因重组 科恩和博耶的实验之后不久，有科学家将第一个 真核生物非洲爪蟾的基因导入大肠杆菌，使 大肠杆菌产生非洲爪蟾的rRNA，这表明真核生物 的基因可以在原核生物中得以表达。 1977年美国科学家使生长激素抑制素基因在大肠 杆菌中成功表达 1978年，人胰岛素在大肠杆菌中合成 1979年，人生长激素基因在大肠杆菌中得以表达 1980年，人干扰素基因在大肠杆菌成功表达 1982年，美国科学家帕米特，采用显微注射法得 巨型小鼠 基因工程培育抗虫棉的简要过程：基因工程培育抗虫棉的简要过程：

5、上述培育抗虫棉的关键步骤是什么？上述培育抗虫棉的关键步骤是什么？ 导入 普通棉花普通棉花( (无抗虫特性无抗虫特性) ) 苏云金芽孢杆菌苏云金芽孢杆菌 提取提取 抗虫基因抗虫基因棉花细胞棉花细胞( (含抗虫基因含抗虫基因) ) 棉花植株棉花植株( (有抗虫特性有抗虫特性) ) 重组 DNA 形成 关键步骤一：关键步骤一： 关键步骤二：关键步骤二： 关键步骤三：关键步骤三： 抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取出来抗虫基因从苏云金芽孢杆菌细胞内提取出来 形成重组形成重组DNADNA 重组重组DNADNA导入受体导入受体( (棉花棉花) )细胞细胞 解决培育抗虫棉的关键步骤需要哪些工具？解决培育抗虫

6、棉的关键步骤需要哪些工具？ （二）（二）DNADNA重组技术的基本工具重组技术的基本工具 关键步骤一的工具：关键步骤一的工具： 关键步骤二的工具：关键步骤二的工具： 关键步骤三的工具：关键步骤三的工具： 分子手术刀限制性内切酶 分子针线分子针线DNADNA连接酶连接酶 分子运输车分子运输车运载体运载体 识别双链识别双链DNADNA分子的某种分子的某种特定的核苷特定的核苷 酸序列酸序列，并且使每一条链中特定部，并且使每一条链中特定部 位的位的2 2个核苷酸之间的个核苷酸之间的磷酸二酯键磷酸二酯键断断 开。开。 主要是从主要是从原核生物原核生物中分离纯化出来中分离纯化出来 的一种酶。能将外来的的一

7、种酶。能将外来的DNADNA切断，切断， 由于这种切割作用是在由于这种切割作用是在DNADNA分子内分子内 部进行的，故名限制性核酸内切酶部进行的，故名限制性核酸内切酶 。 40004000种。种。 1 1、来源：、来源： 2 2、种类：、种类： 3 3、作用：、作用： 4 4、结果：、结果：形成两种末端形成两种末端 黏性末端黏性末端 平口末端平口末端 限制性核酸内切酶 什么叫磷酸二酯键？ T 磷 酸 二 酯 键 1 23 4 5 1 2 3 4 5 A 大肠杆菌大肠杆菌( (E.coliE.coli) )的一种限制酶能识别的一种限制酶能识别 GAATTCGAATTC序列，并在序列，并在G G

8、和和A A之间切开。之间切开。 限制酶限制酶 什么叫黏性末端？ 限制限制 酶酶 什么叫黏性末端？ 被限制酶切开的被限制酶切开的DNADNA两条单链的切口，带两条单链的切口，带 有几个有几个伸出的核苷酸伸出的核苷酸，他们之间，他们之间正好互补正好互补 配对配对，这样的切口叫黏性末端。，这样的切口叫黏性末端。 什么叫黏性末端？ 什么叫平口末端？ 当限制酶当限制酶从识别序列的中心轴线处切开时从识别序列的中心轴线处切开时 ，切开的切开的DNADNA两条单链的切口，是两条单链的切口，是平整平整的的 ，这样的切口叫，这样的切口叫平口末端平口末端。 切割切割DNADNA分子时产生的两种不同末端分子时产生的两

9、种不同末端 限制酶所识别的序列有什么特点？ 限制酶所识别的序列，无论是6个碱基还是4 个碱基，都可以找到一条中心轴线,中轴线两 侧的双链DNA上的碱基是反向对称重复排列的 。 中轴线两侧的双链中轴线两侧的双链DNADNA上的碱基是反向对称排列的。上的碱基是反向对称排列的。 原核生物容易受到自然界外源DNA的入 侵，限制酶是原核生物的一种防御性工 具，当外源DNA侵入时，会利用限制酶将 外源DNA切割掉，使之失效，达到保证自 身的安全的目的。 限制酶在原核生物中的作用 因为微生物在长期的进化过程中形成了 一套完善的防御机制，对于外源入侵的 DNA可以降解；含有某种限制酶的细胞， 其DNA分子中或

10、者不具备这种限制酶的识 别切割序列，或者通过甲基化酶将甲基 转移到所识别序列的碱基上，使限制酶 不能将其切开。 为什么细菌中限制酶不剪切本身的 DNA？ 用同一种限制性酶处理不同DNA片段，会形成 同样的黏性末端，可进行重组。 Ecoli DNA 连接酶 T4 DNA 连接酶 DNA连接酶 作用部位：磷酸二酯键 DNADNA连接酶连接酶可把黏性末端之间的可把黏性末端之间的缝隙缝隙“缝合缝合” 起来起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来，即把梯子两边扶手的断口连接起来， 这样一个重组的这样一个重组的DNADNA分子就形成了。分子就形成了。 DNA连接酶 区别： Ecoli DNA 连接酶 只能将双

11、链DNA片段互补的黏性末端之 间连接起来，不能将双链DNA片段平口末端 之间进行连接 T4 DNA 连接酶 既可“缝合”双链DNA片段互补的黏性 末端，又可以“缝合”双链DNA片段的平口 末端，但连接平口末端之间的效率比较低 DNA连接酶 DNADNA连接酶与连接酶与DNADNA聚合酶是一回事吗？聚合酶是一回事吗？ 相同点： 两者都是形成磷酸二酯键。 不同点： DNA连接酶:是将DNA双链上的两个缺口同时 连接起来，不需要模板。 DNA聚合酶:是以一条DNA链为模板，将单个 核苷酸通过磷酸二酯键连接到正在合成的 DNA单链中，形成一条与模板链互补的DNA 链； DNADNA聚合酶聚合酶: :是

12、以一条是以一条DNADNA链为模板，将单个核链为模板，将单个核 苷酸通过磷酸二酯键连接到正在合成的苷酸通过磷酸二酯键连接到正在合成的DNADNA单单 链中，形成一条与模板链互补的链中，形成一条与模板链互补的DNADNA链；链； 外源基因进入受体细胞的运载体 常用运载体：质粒、 噬菌体衍生物 、 动植物病毒 质粒： 存在：主要存在于细菌的染色体以外。 特性：是很小的双链环状DNA分子，在 细胞染色体外能够自我复制。 大肠杆菌质粒的分子结构示意图 大肠杆菌质粒的分子结构示意图 作为运载体的条件： （1）必需有一个或多个限制酶的切割 位点，以便目的基因可以插入到运载体 上去。 （2）必需具备自我复制

13、的能力，或整 合到受体染色体DNA上随染色体DNA的复 制而同步复制。 （3）必需带有标记基因，以便重组后 进行重组DNA分子的辨认和筛选。 （4）必需是安全的，不会对受体细胞 有害，也就是能够安全地“借居”在 受体细胞中。 （5）分子大小应适合，以便提取和在 体外进行操作。 实际上自然存在的质粒DNA分子并不完 全具备上述条件，都要进行人工改造 后才能用于基因工程操作。 1. 1.以下说法正确的是以下说法正确的是 （ ） A A、所有的限制酶只能识别一种特定的核苷所有的限制酶只能识别一种特定的核苷 酸序列酸序列 B B、质粒是基因工程中唯一的运载体质粒是基因工程中唯一的运载体 C C、运载体

14、必须具备的条件之一是：具有多运载体必须具备的条件之一是：具有多 个限制酶切点，以便与外源基因连接个限制酶切点，以便与外源基因连接 D D、DNADNA连接酶使黏性末段的碱基之间形连接酶使黏性末段的碱基之间形 成氢键成氢键 C C 练习练习 2. 2.不属于质粒被选为基因运载体的理由是不属于质粒被选为基因运载体的理由是 A A、能复制能复制 （ ） B B、有、有多个限制酶切点多个限制酶切点 C C、具有标记基因具有标记基因 D D、它是环状它是环状DNADNA D D 3. 3.有关基因工程的叙述中，错误的是（有关基因工程的叙述中，错误的是（ ） A A、基因工程技术能定向地改造生物的遗传性状

15、基因工程技术能定向地改造生物的遗传性状 ，培育生物新品种，培育生物新品种 B B、重组重组DNADNA的形成在细胞内完成的形成在细胞内完成 C C、目的基因须由运载体导入受体细胞目的基因须由运载体导入受体细胞 D D、质粒都可作为运载体质粒都可作为运载体 B DB D 1. 目的基因的获取 2.基因表达载体的构建 3.将目的基因导入受体细胞 4.目的基因的检测与鉴定 （三）基因工程的一般过程与技术 一、目的基因的获取一、目的基因的获取 （一）从基因文库中获取目的基因（一）从基因文库中获取目的基因 1. 1. 基因组文库基因组文库 将含有某种生物不同基因的许多片段，导 入受体菌的群体中储存，各个受体菌分别含有 这种生物的不同的基因，称为基因文库。 受体菌包含了某种生物所有的基因，该 受体菌群体称为这种生物的基因组文库。 2. 2. 部分基因文库部分基因文库 受体菌包含了一种生物部分基因，该受 体菌群体称为这种生物的部分基因文库，如 cDNA文库。 基因文库的构建模式图 通过对 受体菌 的培养而 储存基因 DUCK179制作 3. 3. 基因文库的构建基因文库的构建 （1 1）基因组文库的构建）基因组文库的构建 提取某生物 全部DNA 用适当限 制酶切割 许 多 DNA片段 与载体连接 导入受体菌群 该生物基 因组文库 （每个受体菌含有一段不同的DNA